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Verfahren und Vorrichtung zur Spannungshaltung von selbsterregten
Asynchrongeneratoren Bekanntlich können asynchrone Drehfeldmaschinen bei übersynchronem
Lauf auch ohne ein taktgebendes Netz als Generatoren betrieben werden, wenn ihnen
Kondensatoren genügender Größe parallel geschaltet sind, die dem zur Erregung nötigem
Blindstrom liefern. Derartige Asynchrongeneratoren haben den Vorzug großer Einfachheit
und Betriebssicherheit. Als Kurzschlußläufer ausgeführt erfordern sie durch den
Wegfall jeglicher Stromübertragung durch Schleifringe oder Kommutatoren sehr wenig
Wartung und Bedienung. Sie sind daher beispielsweise für die Ausnützung kleinerer
Wasserkräfte zur Stromerzeugung besonders geeignet.
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Gewisse Schwierigkeiten bereitet bei solchen Generatoren die Spannungshaltung,
da die Klemmenspannung mit zunehmender Belastung stark abfällt, wenn nicht besondere
Vorkehrungen zur Vermeidung dieses Nachteiles getroffen werden.
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Es ist bekannt, daß man dem Absinken der Spannung bei zunehmender
Belastung dadurch entgegenwirken kann, daß man den Kondensatoren Drosselspulen mit
Eisenkernen parallel schaltet, deren Magnetisierungskennlinie in der Nähe der vorgesehenen
Betriebsspannung einen scharfen Knick aufweist, so daß ihre Blindstromaufnahme bei
ansteigender Betriebsspannung sehr stark zunimmt und bei sinkender Betriebsspannung
entsprechend abnimmt. Derartige Drosselspulen erhöhen aber, die Anlagekosten recht
erheblich, da einmal die Leistung der Kondensatoren um die mittlere Blindleistungsaufnahme
der Drosselspulen vergrößert werden muß und da auch die Drosselspulen selbst wegen
der erforderlichen Verwendung von Spezialeisen kostspielig sind.
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Außerdem wird durch diese Maßnahme das Problem der Spannungshaltung
nur in recht unvollkommener Weise gelöst, da man hiermit die Spannungsänderungen
grundsätzlich nur näherungsweise, niemals exakt, kompensieren kann. Die durch die
Drosseln mit geknickter Kennlinie erzeugten Stromoberwellen sind mit Rücksicht auf
den Generator, die Kondensatoren und die Verbraucher unerwünscht. , Läßt man kleine
Änderungen der Drehzahl des Asynchrongenerators bzw. der Frequenz des von ihm erzeugten
Stromes zu, was in vielen Fällen durchaus möglich ist, so ergibt sich dadurch die
Möglichkeit, ein Absinken der Spannung bei Belastung durch eine kleine Steigerung
der Drehzahl zu vermeiden. Bei einer Erhöhung der Drehzahl bzw. der Frequenz verringert
sich der auf eine bestimmte Spannung bezogene Blindleistungsbedarf der Asynchronmaschine,
während die Blindleistung der Kondensatoren sich proportional mit der Frequenz erhöht.
Der Betriebspunkt der Maschine, bei dem die von der Maschine benötigte und die von
den Kondensatoren gelieferte Blindleistung einander gleich sind, verschiebt sich
daher durch eine Frequenzsteigerung im Sinne einer Spannungserhöhung.
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Es sind bereits Anordnungen bekannt, durch die unter Ausnutzung dieser
Erscheinung die Drehzahl der Antriebsmaschine des Asynchronmotors in geschlossenem
Wirkungskreis so geregelt wird, daß die erzeugte Spannung konstant bleibt. Derartige
Maßnahmen verlangen eine besondere Regeleinrichtung, die gegenüber den z. B. bei
Wasserturbinen üblichen einfachen Fliehkraftreglern wesentlich komplizierter werden.
Außerdem besteht der Nachteil, daß bei starken Überlastungen des Asynchrongenerators
bzw. bei Kurzschlüssen, wobei bekanntlich der Generator sich vollständig entregt
und damit die Turbine entlastet, die Drehzahl der Antriebsmaschine durch die sich
dabei ergebende Einwirkung des Reglers weit über den Nennwert ansteigt und unzulässig
hohe Werte annehmen kann. Diese Gefahr macht eine besondere Drehzahlbegrenzungsvorrichtung
notwendig, was eine weitere Komplizierung der Anlage bedeutet.
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Es ist weiter bekannt, unter Beibehaltung des üblichen Drehzahlreglers
der Antriebsmaschine die Sollwertsvorgabe des Reglers in Abhängigkeit vom Belastungsstrom
des Generators im Sinne einer Störgrößenaufsch:altung zu verändern, so daß der Regler
bei zunehmendem Belastungsstrom höhere Drehzahlen einstellt.
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Bei dieser Art der Regelung ist zwar die Gefahr eines Durahgehens
des Aggregates bei Kurzschlüssen durch das Vorhandensein des Drehzahlreglers vermieden,
jedoch wird dadurch die Aufgabe der Spannungskonstanthaltung nur in sehr unvollkommener
Weise Q-edöst. Die Einwirkunz des Belastunzsstro:mes
auf die Spannung
des kondensatorerregten Asynchrongenerators ist nämlich in sehr hohem Maße abhängig
von dem Leistungsfaktor, unter dem die Stromentnahine erfolgt. Während unter der
Voraussetzung konstanter Drehzahl eine reine Wirkstrombelastung nur ein verhältnismäßig
geringes Absinken der Generatorspannung verursacht, ist die Einwirkung einer induktiven
Blindstrombelastung auf die Generatorspannung um ein Vielfaches größer. Bei der
letztgenannten Art der Regelung ergibt sich daher eine starke Abhängigkeit der Generatorspannung
vom Leistungsfaktor der Belastung. Hierbei ist noch folgendes zu beachten: Es ist
zweckmäßig, den Blindstrombedarf aller Induktionsmotoren, die von einem selbsterregten
Asynchrongenerator gespeist werden, während des Anlaufens oder im Betrieb durch
parallel geschaltete Kondensatoren einzeln zu kompensieren. Wird hierbei irrtümlich
überkompensiert, z. B. weil der Anlaufkondensator nach erfolgtem Hochlauf des Motors
nicht abgeschaltet wird, so fließt ein erhöhter Blindstrom vom Verbraucher zum Generator
und erhöht seine Spannung entsprechend der vergrößerten Kapazität. Außerdem wird
der vergrößerte Verbraucherstrom als Störgröße auf den Drehzahlregler aufgeschaltet
und erhöht die Drehzahl und damit nochmals die Spannung auf unzulässige Weise. Schaltet
man also den Betrag des Verbraucherstromes als Störgröße auf den Drehzahlregler,
ohne die Phasenlage und das Vorzeichen zu erfassen, so ist mitunter sogar eine Verschlechterung
der Spannungshaltung zu erwarten.
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Die Erfindung verwendet ein ähnliches Verfahren zur Spannungsregelung
von Asynchrongeneratoren mit Selbsterregung durch parallel geschaltete Kondensatoren,
wobei die Drehzahl der Antriebsmaschine in Abhängigkeit von der Belastung des Asynchrongenerators
selbsttätig geändert wird. Im Gegensatz zu den erwähnten bekannten Verfahren dieser
Art und zur Vermeidung der damit verbundenen Nachteile wird jedoch die durch den
Drehzahlregler der Antriebsmaschine einzustellende Drehzahl in Abhängigkeit von
einer zwischen der Wirkkomponente und der induktiven Bildkomponente liegenden Komponente
des Belastungsstromes oder der Belastungsleistung im Sinne einer Störgrößenaufschaltung
geändert.
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Diese Störgrößenaufschaltung erfaßt also Größe und Phasenlage des
Verbraucherstromes, wobei zwischen kapazitivem und induktivem Blindstrom unterschieden,
wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise in folgender Weise
verwirklicht werden: In den Belastungsstromkreis des Asynchrongenerators wird ein
auf Wirkstrom bzw. Wirkleistung und ein auf Blindstrom bzw. Blindleistung ansprechendes
Meßwerk eingeschaltet. Die Ansprechempfindlichkeit des Blindleistungsmeßwerkes wird
dabei um so viel Mal größer gewählt, wie die Einwirkung des Blindstromes auf die
Generatorspannung größer ist als die Einwirkung des Wirkstromes.
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Die Meßwerte beider Meßwerke werden addiert und - gegebenenfalls über
einen geeigneter Meßwertwandler - beispielsweise der Sollwertvorgabe des Drehzahlreglers
hinzugefügt.
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Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in der Abbildung schematisch
dargestellt.
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Der von einer Kraftmaschine 1 angetriebene Asynchrongenerator 2 mit
einer zu seiner Erregung dienenden Kondensatorbatterie 3 speist einen durch den
Widerstand 4 und die Drosselspule 5 angedeuteten Belastungsstromkreis. Zur Regelung
der Drehzahl der Antriebsmaschine 1 dient der Drehzahlregler 6. Zu ihm gehört ferner
ein Istwertgeber 7, der im Beispiel durch ein Fliehkraftpendel 8 gesteuert wird
und ferner ein Sollwertgeber 9, der als Drehzahlversteller ausgebildet sein kann.
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Zur Ermittlung der jeweiligen als Störgrößenaufschaltung zu verwendenden
Leistungs-bzw. Stromkornponente dient ein Wirkstrom- bzw. Wirkleistungsmeßwerk 10
und ein Blindstrom- bzw. Blindleistungsmeßwerk 11. Die Meßwerte beider Meßwerke
werden dem Sollwertgeber 9 zugeleitet und bewirken dort gegebenenfalls über einen
darin enthaltenen Meßwertwandler oder Servomotor eine Verstellung des Dreh -zahlsollwertes.
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Statt den Wirk- und Blindstrom bzw. die Wirk-und Blindleistung je
mit einem besonderen Meßwerk zu erfassen, ist es auch möglich, nur ein Meßwerk vorzusehen,
das unmittelbar eine zwischen der Wirk-und der Blindkomponente liegende Komponente
des Belastungsstromes oder der Belastungsleistung erfaßt. Da - wie gesagt - die
Blindkomponente einen wesentlich größeren Einfluß auf die Generatorspannurig ausübt,
kommt hierbei eine Komponente in Frage, die in der Nähe der Blindkomponente liegt,
also ein Strom der beispielsweise der Spannung um 80 oder 85° nacheilt.
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Man kann dazu z. B. einen Blindleistungsmesser verwenden, bei dem
im Strom- oder Spannungspfad Mittel bekannter Art zur Erzeugung einer kleinen zusätzlichen
Phasenverschiebung vorgesehen sind, so daß sein Ausschlag nicht dem Betrag J ₧
E ₧ sin 2 (J, E und o haben hierin die übliche Bedeutung von Strom, Spannung
und Phasenverschiebungswinkel), sondern dem Betrag J₧E₧sin (T+a) entspricht.
a ist hierin ein kleiner, empirisch oder durch Rechnung zu bestimmender Winkel,
um den die für die Spannungsbeeinflussung maßgebende Stromkomponente von einem reinen
Blindstrom abweicht. Bei der Bestimmung von a kann auch die mit zunehmender Wirklast
sich ergebende Vergrößerung des Schlupfes der Asynchronmaschine und das nachgiebige
Verhalten der Drehzahlregelung berücksichtigt werden.
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Vorteilhaft kann als Meßwertgeber für die Störgrößenaufschaltung ein
elektrodynamisches oder nach dem Ferrarisprinzip arbeitendes Meßwerk bekannter Art
dienen.
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Ist der Drehzahlregler der Antriebsmaschine des Asynchrongenerators
ein Fliehkraftregler, dessen Sollwertvorgabe in üblicher Weise ganz oder zum Teil
durch eine Feder dargestellt ist, so kann beispielsweise die Einstellung dieser
Feder durch den Meßwertgeber geändert werden.
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Sofern die ummittelbare Erzeugung der zur Sollwertverstellung des
Drehzahlreglers erforderlichen Kräfte Schwierigkeiten macht, kann als Meßwertgeber
beispielsweise auch ein Wälzsektorregler bekannter Bauart verwendet werden, dessen
Meßwerk in der beschriebenen Weise eingerichtet ist und mit Hilfe eines oder mehrerer
Wälzsektoren, die sich auf Widerstandsbahnen abwälzen, einen kleineren oder größeren
Widerstandswert in einen Stromkreis einschaltet. Mit Hilfe eines durch diesen Widerstand
gesteuerten Elektromagneten oder ähnlichen Servomotors kann die Sallwertverstellung
des Drehzahlreglers bewirkt werden.
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Die erwähnte Leistungsmessung kann je nach der zu erwartenden symmetrischen
oder unsymmetrischen Belastungsart in einer Phase des Belastungsnetzes vorgenommen
werden, oder es kann die gesamte Leistung durch mehrere, gegebenenfalls auf einer
gemeinsamen
Welle angeordnete Meßwerke erfolgen. Beispielsweise kann ein Meßwertgeber verwendet
werden, der mit zwei in der bekannten Aronschaltung betriebenen Leistungsmeßwerken
ausgerüstet ist.
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Durch die erfindungsgeimäße Drehzahlbeeinflussung gelingt es mit einfachen
Mitteln, die Spannungsabweichungen vom Nennwert bei Asynchrongeneratoren auf ein
Minimum zu beschränken. Dies gilt sowohl bei induktiver als auch bei kapazitiver
Belastung des Generator, wie schließlich auch bei reiner Wirklast.
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Wegen der nahezu konstanten Generatorspannung besteht kein wesentlicher
Unterschied zwischen einer Drehzahlbeeinflussung in Abhängigkeit von einer geeigneten
Komponente der Belastungsleistung und der entsprechenden Komponente des Belastungsstromes.
Will man jedoch die betreffende Komponente des Belastungsstromes genau erfassen,
so kann dies beispielsweise dadurch geschehen, daß man die dem Meßwerk oder den
Meßwerken zugeführten Spannungen durch Spannungskonstanthalter bekannter Art genau
konstant hält.
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Bei der Verwirklichung des Erfindungsgedankens sind mancherlei Abweichungen
von den beschriebenen Beispielen möglich.
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So kann die Veränderung der Sollwertvorgabe des Drehzahlreglers in
Abhängigkeit von den Meßwerkausschlägen beispielsweise auch mit Hilfe einer Nachlaufsteuerung
bekannter Art durchgeführt werden. Statt einer Veränderung der Sollwertvorgabe kann
auch eine Beeinflussung des Istwertgebers 7 vorgenommen werden. Es kann auch. zweckmäßig
sein, das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit den obenerwähnten parallel
zu schaltenden eisengesättigten Drosselspulen anzuwenden u. dgl. m.